泥水平衡頂管掘進機洞內組裝施工技術

丁守陣

摘 要：文章以實際工程為實例，針對該工程的具體情況進行了頂管掘進機洞內改造可行性分析，從而制定了對應的泥水平衡頂管掘進機洞內組裝實施方案，并對該方案及其組裝施工技術進行了詳細的研究。

關鍵詞：頂管掘進機 洞內組裝 洞室施工

1.工程概況

頂管隧洞區間全長492.962m，周邊環境復雜，自中心公園內SJ4井始發，沿振興路南側人行道至SJ4-1豎井接收。其中振興路南側管線密集、老舊低層建筑較多，管道與振興路南側建筑物水平距離約2.5～3.8m。頂管機以24.03‰設計上坡曲線頂進，區間平面最大轉彎半徑R=2700m。

原計劃擬采用手掘式頂管掘進機施工至SZ1K0+108.6處，再在洞內組裝泥水平衡頂管掘進機掘進剩余區段，且將既有DN3200泥水平衡頂管掘進機和洞內原有手掘式頂管掘進機改造為DN3500泥水平衡頂管掘進機。

2.頂管掘進機洞內改造可行性分析

2.1頂管掘進機選型分析

（1）手掘式頂管掘進機：人工或機械開挖，后配套頂進。優勢：成本低、施工組織簡單、功耗小。缺陷：進度慢、安全性差。

（2）泥水平衡頂管掘進機：刀盤切削泥土，泥水輸送棄土，利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力。優勢：①適用地質范圍比較廣；②可有效平衡地下水壓和土壓力，控制挖掘面的穩定，地面沉降小；③泥水平衡頂管掘進機的切削力矩相對其他機種小；④作業環境好，安全；⑤渣土運輸為連續作業，有利于保證推進速度，最適宜于長距離頂管；⑥可集中控制，能減少施工人員；⑦非主機等特殊設計的設備通用性強。缺陷：①輔助設備和泥水處理系統數量多、技術復雜、占地大、水電消耗較高。泥水處理過程會產生振動和較大的噪音；②遇到障礙物，處理較困難。

（3）土壓平衡頂管掘進機：通過對推進速度與螺旋機排土量的控制使所建立的壓力保持穩定，進而減少對地層的擾動，使地層的隆降值控制在一定的范圍之內；渣土不需要進行泥水分離等二次處理。優勢：①適用在淺覆土的狀態下工作；②是全土質的頂管掘進機。③棄土的運輸、處理比較方便，費用較少。缺陷：出渣不暢易導致土倉壓力大于周圍水土壓力，引起的深層變形或位移、地表隆起等；特殊地層需進行渣土改良。

結合本區間的工程地質情況及3種頂管掘進機的優劣特點對比分析，經綜合考慮，本工程選用泥水平衡頂管掘進機。

2.2泥水平衡頂管掘進機改造可行性分析

本工程擬將既有的DN3200泥水平衡頂管掘進機改造為DN3500泥水平衡頂管掘進機。

（1）動力系統：現有DN3200泥水平衡頂管掘進機動力配置為6臺額定功率為37kW的電機，最大輸出扭矩2460kN.m。剩余頂管機施工段主要位于礫質粘性土與全風化花崗巖層，頂進阻力較小，巖層強度低，含水率大，扭矩值較小。動力系統滿足需求。

（2）刀盤擴徑分析：既有DN3200頂管掘進機刀盤直徑3880mm，根據設計隧洞的直徑，刀盤直徑需擴徑至4180mm。在原有的刀盤刀具配置的基礎上，在刀盤外部0.8m的范圍（含擴徑部位）增設10把撕裂刀，總計配置76把撕裂刀（軟巖刀具、撕裂巖層）、50把刮刀（切削土體）、24把貝殼刀（效果同刮刀）。刀盤擴徑后刀具運行軌距滿足切削4.18m直徑范圍內土體，擴徑后刀盤滿足需求。

2.3組裝洞室施工可行性分析

為保證洞內組裝時刀盤能自由翻轉且預留足夠的操作空間，采用礦山法工藝施工組裝洞室。由于SZ1K0+108.6～ SZ1K0+166.74段隧道底部下伏中風化花崗巖，先采用人工開挖洞室，然后頂管掘進機再空推通過。組裝洞室設置于SZ1K0+166.74～SZ1K0+172.54段。刀盤直徑4180mm，左右兩側預留85cm空間；保證后續吊運桁架與吊運平臺搭設，頂部預留85cm、底部預留30cm空間。斷面尺寸為：寬5.8m、高5.3m、長5.8m。

3.泥水平衡頂管掘進機洞內組裝實施方案

3.1洞內組裝工藝流程

洞內組裝工藝流程具體如下：組裝洞室施工→驗收（若不合格則進行洞外改造，包括刀盤改造和中隔板制作）→刀盤洞內拼接→泥水倉改造→中隔板安裝→基座安裝→中軸與行星減速器安裝→刀盤安裝→輔助設備安裝→設備調試。

3.2組裝洞室施工

原隧道開挖直徑為4140mm，采用漸變段形式進行礦山法隧道施工，漸變段采用3榀漸變拱架支護。漸變段完成后按標準尺寸施工擴挖洞室。支護形式：拱架間距50cm，錨網噴支護。

3.3拆解泥水頂管機

3.3.1現有DN3200頂管機構造

分別由開挖系統、推進系統、電氣系統、糾偏裝置及渣土處理系統5大部分組成。

（1）刀盤包含：刀尖、刀具、刀盤體等。

（2）動力系統包含：齒輪箱、行星減速機、驅動電機等。

（3）電氣系統包含：供配電、照明、控制、人機交互、數據采集等等。

（4）糾偏系統包含：糾偏泵站，糾偏千斤頂，油管等。

（5）泥水循環系統包含：泥水倉、泥水旁通，進排漿管、中繼泵、清水池、調漿池、泥水分離機等。

3.3.2洞內手掘式頂管掘進機概況

洞內手掘式頂管掘進機示意圖如圖1所示。

3.4泥水平衡頂管掘進機刀具配置與刀盤拆解

（1）刀盤擴徑

原DN3200泥水平衡頂管掘進機直徑3880mm，刀盤在工廠內改造擴徑為4180mm。

（2）刀具配置

刀具配備情況：根據地質情況與刀具運行軌跡要求，現有的配刀基礎上，在刀盤外部0.8m的范圍新增設10把撕裂刀，合計配置76把撕裂刀、50把刮刀、24把貝型刀。

（3）刀盤拆解分析

①改造后刀盤直徑4180mm，已成型頂管隧道內徑為3500mm。為保證刀盤通過成型管道運輸至擴挖洞室，并保證洞內組裝質量，分解塊數不宜過多。

②分解成2塊或4塊均會通過刀盤中心，后續拼裝質量不能得到有效保證。

③考慮刀盤整體性，從副刀梁位置拆解刀盤。

3.5頂管機部件運輸及洞內起吊裝置、刀盤安裝

（1）刀盤和齒輪箱在管內搬運較為困難，其他設備配件的搬運較為容易。將刀盤兩側局部暫時割除，運至前面洞室內再進行焊接拼裝。

（2）隧道內起吊設備的安裝：在擴挖隧道內，先行搭設安裝簡易起吊平臺及起吊支架。頂管掘進機主機內殼內起吊裝置的安裝：在頂管掘進機內殼上焊接起吊點，利用手拉葫蘆做起吊裝置。

（3）洞內拼裝、焊接：①刀盤在隧道內翻轉，并臨時吊放；②刀盤在隧道內拼接成形；③刀盤在隧道內拼裝、焊接、檢驗。

3.6泥水平衡頂管掘進機泥水倉改造

原手掘式頂管掘進機的長度、體積均不能滿足泥水平衡頂管掘進機的泥水倉要求，故需要進行改造。

錐體加長及中隔板焊接：前盾前方錐體段加長475mm（外殼厚30mm、斜錐厚25mm），增加前端密封中隔板（40mm厚鋼板），中隔板上方開600×500mm人孔保證封閉倉施工完成后進入前端安裝刀盤與輔助設備拆除。

3.7泥水平衡頂管掘進機組裝后試運轉

（1）連接進回水管、壓漿管道后打開工作井內的進回水閥、壓漿閥；

（2）連接電纜：將動力、通訊、視頻信號、機頭控制等各類型電纜分別根據線路布置圖進行連接。各電纜接頭連接必須正確并牢靠，洞口預留電纜必須超過管節長度的1.5～1.7倍；

（3）機頭送電：關閉電閘，通過向機頭供電，檢查機頭和操作室之間的指令和信號傳輸是否正常；

（4）啟動進、回水泵：檢查回水管出水是否正常，機頭內回水壓力表是否平穩；

（5）打開截止閥、關閉旁通閥：打通回路以后，檢查泥水倉壓力是否正常，傳感器是否敏感性失效；

（6）啟動刀盤：根據主機的轉角確定機頭正轉、反轉；且在啟動過程中，注意刀盤電流和主機轉角變化速度。

4.結束語

綜上所述，頂管掘進機在空推過程中易造成預制管節變形、甚至承插環變形、脫落導致管節破損滲漏水；如果進行空推后再在洞內進行頂管掘進機的組裝，需要提前預埋導向軌道，再用豆礫石回填預制管節與初支之間空隙，且需保證回填密實；組裝洞室需在頂管掘進機組裝完成后將盾殼與初支之間的空隙用豆礫石回填，方可再次始發。

參考文獻：

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